Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Dynamisk Elektrokjemisk Måling av kloridioner

Published: February 5, 2016 doi: 10.3791/53312
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1BIOS-Lab on a chip group, MESA+ Institute of Nanotechnology, MIRA Biomedical Technology and Technical Medicine, University of Twente

Introduction

En kloridion sensor basert på overgangstidsmåling av en Ag / AgCl-elektrode er presentert. Målet er å unngå de iboende driver under langvarig kontinuerlig overvåking av kloridioner i elektrolytten. Chronopotentiometric målingen, som er en dynamisk måling tilnærming, av en Ag / AgCl-elektrode blir brukt til dette formål. Her en hastighet på endring av potensialet til en Ag / AgCl-elektrode blir målt i løpet av en stimulus (galvano puls). Fordelen med denne tilnærmingen er demonstrert av Elgar væske-krysset referanseelektrode, og i stedet bruke noen metalltråd som en pseudo-referanseelektrode, derfor tillater påvisning av CL ioner konsentrasjon for langtids (år) og in situ-programmer, for eksempel måling inne betongkonstruksjoner.

Kloridioner i betongkonstruksjoner er en av de viktigste årsakene til nedbrytning 1,2. Det initierer gropkorrosjon i armeringsstålet ennd resultater i den endelige svikt av konstruksjonen 3. Derfor er måle Cl-ioner i betong er uunngåelig å forutsi levetid og vedlikeholdssyklus av en struktur 4,5. Ulike måleprinsipper har blitt rapportert for klorid ion måling i betong som elektro 6,7, optisk 8,9 og elektro 10,11. Men optiske og elektromagnetiske metoder har store oppsett, er vanskelige å integrere som et frittstående system og har problemer med selektivitet 12. I elektroteknikk, potensiometrisk måling av en Ag / AgCl elektrode er state of the art tilnærming 6,7,13. Til tross for lovende resultater, er denne tilnærmingen begrenset til lab-skala måling siden fonnene i referansepotensial og diffusjon potensielle slipp resulterer i mangelfulle data 14,15. En overgang tid tilnærming basert på den dynamiske elektrokjemiske måle (DEM) kunne løse problemet på grunn av potensielledrift 16.

I DEM, er systemets respons til et påført stimulus måles 17-19. Det eksempel på et slikt system er chronopotentiometry. Her anvendes en strømpuls blir brukt som en stimulans tappe ioner i nærheten av elektrodeoverflaten og den tilsvarende potensialet respons blir målt. En anodisk strøm på en Ag / AgCl elektrode initierer et Faraday-reaksjon (Ag + Cl Figur 1 AgCl + e) ​​som resulterer i en reduksjon av CL ioner nær elektroden overflaten. Potensialet endringen er en funksjon av den påtrykte strøm og konsentrasjonen av (selektive) ioner i elektrolytten 12,20. I det øyeblikk disse ionene utarme helt nær elektrodeoverflaten av endringstakten av potensielle stiger raskt, noe som gir et vendepunkt 21. Infleksjonspunktet på responskurven potensial-tid (chronopotentiogram) viser overgangs tid og kan bestemmes framaksimum av den første deriverte av den potensielle respons 22. Overgangstiden er karakteristisk for den ionekonsentrasjon. Denne tilnærmingen har vært brukt til å bestemme forskjellige ioner konsentrasjon 17 og pH i elektrolytter 23,24. I tilfelle en Ag / AgCl elektrode som en arbeidselektrode (som strøm brukes) tappe ionene blir kloridioner 17. Derfor måle sin overgang tid vil avgjøre sin konsentrasjon.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Chip Fabrication

Merk: Brikken består av en Ag / AgCl arbeidselektrode (VI), en Ag / AgCl pseudoreferanse-elektrode (pseudo-RE) og en platina motelektrode på et glass chip. Det metalliske sølv som avsettes på en glass brikke, ved anvendelse av standard prosesser 16 renrom. Det er da chloridized i 0,1 M FeCl3-løsning i 30 sekunder for å danne et AgCl lag over overflaten. Den Ag / AgCl VI (område = 9,812 mm 2) befinner seg i midten, omgitt av Ag / AgCl pseudo-RE som vist i figur 1.

  1. Avsette sølv metall på glass for å danne en plan sølvelektrode. Den trinn-for-trinn-chip fabrikasjon i et renrom er gitt som følger:
    1. Litografi
      1. For wafer rengjøring, senk glass wafer første til kons. HNO 3-bad for å fjerne eventuelle organiske urenheter og deretter inn i en M KOH for å rengjøre overflaten.
      2. Påføre et positivt bilde motstå (200 nm) tilwafer ved spinnbelegging og stek den resisten ved 95 ° C i 15 min.
      3. Utsette skiven for UV-lys i 5 sek gjennom et glass maske.
      4. Utvikle fotoresist i fremkallerløsning. Dette vil utsette det område av glass hvor elektroder vil bli avsatt og det resterende området vil bli dekket av den ikke-eksponerte motstå.
    2. glass Etching
      1. Dypp utviklet glasskive i KOH-bad for å etse de eksponerte areal av glasset.
    3. Metal Nedfall (Sputtering)
      1. Innskudd sølv metall på den eksponerte glass området.
        1. Første innskudd en 20 nm titan (Ti) lag (ved sputtering) som et heft lag for glass.
        2. Deretter setter 70 nm palladium (Pd) lag (ved sputtering) som en diffusjonsbarriere mellom sølv og Ti.
        3. Til slutt setter 500 nm av sølvfarget metall. Dette er tykkelsen av det avsatte metall. Arealet av arbeidselektrode er 4 mm 2.
        4. Fjern remaining motstå etter lift-off prosess i en aceton-bad.
      2. Skjær wafer inn i én brikke størrelsen. Brikken er nå klar til å bli chloridized for å danne en on-chip-Ag / AgCl-elektrode.
  2. Plasser brikken i en in-house designet Polytetrafluoroethylene chip holderen, som vist i Figur 1. Holderen gir enkle elektriske forbindelser via push-pins (eller fjærbelastede pinner) og inneholder en elektrokjemisk celle.
  3. Chloridize sølvet elektrode for å danne en Ag / AgCl-elektrode på brikken. For det, hell 0,1 M FeCl3-løsning i cellen i 30 sek. eller inntil den sølvfarge av elektroden blir mørk gråaktig. Lengre nedsenking er ikke kritisk, mens kortere nedsenking tid kan føre til noen avsetning av Ag / AgCl.
  4. Skyll chip med deionisert vann for å vaske det gjenværende FeCl3 sikret chip er nå klar til å bli brukt for chronopotentiometric målingen.

2. Elektro Forberedelse

Merk: elektrolytter ble fremstilt med forskjellige konsentrasjoner av kalium-klorid i 0,5 M KNO 3.

  1. Fremstille 50 ml av 50 mM KCl elektrolyttløsning (0,186 g KCl i 50 ml oppløsning).
  2. I den samme oppløsning legg 2,52 g KNO 3 for å danne en 0,5 M KNO 3 bakgrunnselektrolytt.
  3. Hold utgangs konsentrasjonen av klorid til null og kno 3 til 0,5 M. Det vil si legge til 2,52 g KNO 3 i en 50 ml deionisert vann.
  4. Tilsett 50 mM KCl for å øke den kloridionekonsentrasjon (fra 1 mM til 6 mM) i elektrolytten, systematisk, som vist i de følgende trinn.
    1. Tilsett 100 ul av 50 mM KCl inn i en 4,9 ml 0,5 M KNO 3 for å få 1 mM [Cl].
    2. Legg 104 mL av 50 mM KCl-oppløsning til oppløsningen fra trinn 2.4.1 for å få 2 mM [cl].
    3. Legg 108.41 mL av 50 mM KCl-oppløsning inn i solution av trinn 2.4.2 for å få 3 mM [CL].
    4. Legg 113.19 mL av 50 mM KCl-oppløsning til oppløsningen fra trinn 2.4.3 for å få 4 mM [cl].
    5. Legg 118,2 mL av 50 mM KCl-oppløsning til oppløsningen fra trinn 2.4.4 for å få 5 mM [cl].
    6. Legg 123,3 mL av 50 mM KCl-oppløsning til oppløsningen fra trinn 2.4.5 for å få 6 mM [cl].

3. Forsøksoppsett

Merk: Målingene ble utført ved hjelp av en potentiostat (Biologisk Science Instruments, Frankrike).

  1. Plassere chip i brikken holderen og koble den tilsvarende terminalen av potensiostat.
  2. Koble arbeidselektroden terminalen av potensiostat til Ag / AgCl-elektrode.
  3. Koble referanseelektroden terminalen av potensiostat til en annen Ag / AgCl-elektrode.
  4. Kople motelektroden terminalen av potensiostat til platina elektroden.
  5. Plasser komplete eksperiment oppsett i et Faraday bur for å unngå støy fra omgivelsene.

4. Instrument Driftsinnstillinger

Merk: De operasjonelle parametere for elektrokjemisk celle styres via brukergrensesnittet til potentiostat. Potensialet respons av Ag / AgCl VI i løpet av en påtrykt strømpuls blir målt for forskjellige konsentrasjoner av klorid-ion.

  1. I potentiostat program, åpner teknikk chronopotentiometry og sette rammebetingelsene.
    1. Sett følgende parameter i henhold til kravene:
      1. Current (jeg er)
      2. Tidspunkt for brukt strøm (t s)
    2. Start denne teknikken ved å klikke på play-knappen i potentiostat programmet.
      Merk: potentiostat Programmet viser potensialet svar som en funksjon av tiden under søkt strømpuls.

5. Målinger og analyseverktøs

  1. Tegn kalibreringskurve for overgangstiden sammenlignet med Cl ion-konsentrasjonen i elektrolytten.
    1. Endre CL-konsentrasjonen i elektrolytten KCl, systematisk.
      1. Start målingen med 5 ml 1 mM KCI med 0,5 M KNO 3 bakgrunn elektrolytten i den elektrokjemiske celle.
      2. Start chronopotentiometric eksperiment ved hjelp av potentiostat og bruke en strøm på 10 mA / cm -2 i 10 sek og lagre data.
      3. Systematisk endre konsentrasjonen til 6 mM med trinn på 1 mm og gjenta målingene.
    2. Å lagre de målte data som a.mpt fil og analysere datafilen i databehandlingsprogram.
      1. Analysere dataene ved hjelp av en egenutviklet dataprosessering program for å beregne den første deriverte av potensialet respons og beregne toppen av den første deriverte. Toppen av den første deriverte er overgangstiden.
        Merk: Den komplette torsking av databehandlingsprogram er gitt i den tilleggsinformasjon til Abbas et al., 2014.
    3. Gjenta målingen tre ganger med et intervall på 1 time hver.
    4. Åpne alle datafilene i databehandlingsprogram og beregne overgangstiden for hver måling. Detalj trinn på overgangstiden beregningen er gitt nedenfor:
      1. Plott potensielle forskjellen vs. tid hentet fra datafiler chronopotentiometric måling.
      2. Beregn den første deriverte av den potensielle respons.
      3. Angi maksimalt den første deriverte og tidspunktet for det. Tidspunktet for den maksimale over første deriverte er overgangstiden.
    5. For kalibreringskurven, plottet kvadratroten av overgangstiden i forhold til konsentrasjonen av Cl-ioner.
    6. Langs de målte data plotte den teoretiske kurven basert på Sand ligning 25. Beregn tilbake spredningen coefficient fra data tomten.
      1. I målte data tomten mellom overgangstiden og [CL] ta ethvert punkt på linjen og registrere verdien av overgangstiden og [CL]. Sand-ligningen er gitt ved:
        τ = (FC * / 2j (1-t Cl -)) 2 Dπ
        Her, er C * masse Cl ion-konsentrasjon, F er Faradays konstant, j er strømtettheten, t Cl - er transport tall og D er diffusjonskoeffisienten. Forsømmelse t Cl - siden det nærmer seg null for høyere bakgrunnselektrolyttkonsentrasjon.
      2. Den eneste gjenværende variabel i Sand ligningen i diffusjonskoeffisienten; sette verdien av overgangstiden, den kloridionekonsentrasjon og den påtrykte strømmen i Sand ligning får verdien av diffusjonskoeffisienten.
  2. Drift Måling
    1. Hell 5 ml 1 mM KCl ielektrokjemisk celle.
    2. I potentiostat, sett anvendt gjeldende å være 10 Am -2 og tid til å være 10 sek.
    3. Måle potensialet respons på 2 uker med tre måle hver dag med et intervall på 3 timer mellom målingene.
    4. Oppdater elektrolytten, dvs. 1 mM KCl, hver dag før du utfører målingene.
    5. Plott overgangstiden i løpet av to uker med målinger. Endringen i overgangen gang per dag er driften av overgangstidsrespons.
  3. Effekten av pseudo-referanseelektrode på overgangstidsmålinger
    Merk: Forskjellige pseudo-referanser så som en Ag / AgCl wire, en platinatråd og en stålwire blir testet for å måle overgangstiden.
    1. Hell 4 mM KCl elektrolytten i den elektrokjemiske celle.
    2. Bruk Ag / AgCl som en pseudo-referanseelektrode og koble den til referanseelektroden terminalen av potensiostat. På grunn av anodestrømpuls Cl & #713; ioner er oppbrukt nær Ag / AgCl arbeidselektrode.
    3. Utfør chronopotentiometric målingen ved å bruke en strømtetthet på 15 Am -2 i 10 sek.
    4. Gjenta målingene med platina som en pseudo-referanseelektrode og registrere data.
    5. Gjenta målingene med stålstang som en pseudo-referanseelektrode og registrere data.
    6. Plott den målte overgang tid for ulike pseudo-referanseelektroder brukes.
    7. Gjenta komplett sett med måling med 5 mM KCl og plotte overgangstiden ved hjelp av ulike pseudo-referanseelektroder.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Den Ag / AgCl-elektrode er fremstilt av et glass brikke (Figur 1) ved anvendelse av en standard renrom prosess. Den chronopotentiometric måleoppsettet (figur 2) ble brukt, og responsen ble målt ved hjelp av en potensiostat. For å observere virkningen av Cl-ion-konsentrasjon på overgangstiden, er oppløsninger inneholdende 4, 5 og 6 mM av Cl-ioner i en 0,5 M KNO 3 bakgrunn målt (figur 3). Kalibreringskurven av kvadratroten av overgangstiden versus Cl ion-konsentrasjon er plottet sammen med teoretisk kurve (figur 4). Overgangstiden respons ble målt i to uker for å vurdere driften i målingen (figur 5). Overgangstiden måles i 4 og 5 mM cl ionekonsentrasjon for forskjellig pseudo-referanse-elektrode for å observere effekten av referansesystemet på overgangstiden (figur 6). Despekter av strømtettheten over området 1-6 mM [CL] evalueres fra Sand ligning (tabell 1).

Overgangstiden ble målt i forskjellige konsentrasjoner av Cl -ioner, nemlig 4, 5 og 6 mM, slik som vist i figur 3. Den tilsvarende potensiell reaksjon er synlig sammen med den første deriverte. Toppene av de første derivatene gi overgangstider. Tiden øyeblikkelig av toppen skiftende til høyere verdier med økningen i [Cl]. Dette forventes etter hvert som flere CL ioner tilstede i bulk elektrolytten betyr at det vil ta lengre tid å fullstendig tømme CL ioner i nærheten WE overflaten. De målte overgangstider for nevnte konsentrasjon er 2,69, 4,28 og 5,92 sek, henholdsvis.

Overgangstiden Målingene ble kalibrert mot kjente konsentrasjonen av kloridioner. De målte data ogdens lineær tilpasning er vist i figur 4. Kvadratroten av overgangstiden er i lineær korrelasjon til [Cl], som forutsagt av ligning Sand. Den tilsynelatende diffusjonskoeffisient av Cl-ioner fra de målte data er funnet å være 2,280 x 10 -9 m 2 sek -1, noe som er i god overensstemmelse med den teoretiske verdi, D = 2 x 10 -9 m 2 sek-1. Avviket kan være på grunn av usikkerhet i strømtetthetsverdi knyttet til den endrede overflateareal i løpet av strømpulsen. Videre avviket er relativt større for høyere konsentrasjoner, f.eks, 7 mm. Dette skyldes den forholdsvis store tykkelse av konsentrasjonsprofilen, noe som gjør det mer følsomt for konveksjon.

Den dynamiske natur overgangstid sikrer drift gratis måling. For å analysere driften, overgangstiden for 1 mM CLble målt i løpet av to uker, som vist i figur 5. Det er en avtagende trend i overgangstid, 0,23 msek / dag (tilsvarer 0,8 uM / dag), i lineær tilpasning av dataene. Ikke desto mindre er denne endring liten, og kan tilbakeføres til håndtering av feil, endrer Cl ion-konsentrasjonen på grunn av fordampning, endringen i tilsynelatende strømtetthet og temperaturvariasjon over måleperioden. Det er derfor vanskelig å gi et konkret konklusjon om drift av sensoren; enten det er ingen iboende drift eller avdriften er forholdsvis liten.

Et annet aspekt av de dynamiske egenskapene til overgangstidsmåling er dens uavhengighet på et referansesystem. Forskjellige pseudo-referanser (en Ag / AgCl tråd, en platinatråd og en ståltråd) ble satt opp for å måle overgangstiden for en Ag / AgCl elektrode 4 og 5 mM [cl]. Målingene er vist i figur 6. For en rekke pseudo-refere NCE responsen ikke endres vesentlig, varierer overgangstid innen 80 msek (± 75 um på 4 og 5 mm CL ioner). Derfor referansesystemet ikke har noen systematisk virkning; noen metalltråd kan en brukt som en pseudo-referanseelektrode for overgang tidsmålinger.

Figur 1
Figur 1. Klorid sensor chip sammen med den elektrokjemisk celle. (A) Cl ion sensorbrikke med Ag / AgCl-elektroder på et glass-substrat og elektrisk tilkobling pads. Dimensjonen av glasset brikken er 15 x 20 mm 2, mens det eksponerte området i den elektrokjemiske celle er 78 mm 2. (B) Den fullstendige elektrokjemiske celle (chip holder) med montert chip. Den midterste sirkulært område viser det område av brikken eksponert til elektrolytten 16. 3312 / 53312fig1large.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å laste ned denne filen.

Figur 2
Figur 2. Skjematisk av overgangstid tilnærming. (A) Skjematisk av CL ion deteksjon tilnærming. I løpet av en påført strømpuls ved WE med hensyn til en CE (ikke inkludert i denne figur), kloridioner utarme ved Ag / AgCl VI, noe som resulterer i den viste Cl ion konsentrasjonsprofil. (B) Skjematisk av ΔV og dΔV / dt respons. Den heltrukne linjen (-) og stiplet linje (-) representerer ΔV og dΔV / dt, respektivt. τ er overgangstiden og t er varigheten av den tilførte strømpuls. Her er t / τ forholdet mellom den tilførte strøm og tid overgangstiden når t / τ = ​​1, Cl-ioner på overflaten av arbeidselektroden tømmes fullstendig 16. https://www.jove.com/files/ftp_upload/53312/53312fig2large.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å laste ned denne filen.

Figur 3
Figur 3. Overgangstidsmålinger. Den chronopotentiograms (heltrukket linje) og deres derivater første (stiplet linje) av Ag / AgCl-elektrode i forhold til en annen Ag / AgCl pseudo-RE elektrode i oppløsninger av 4, 5 og 6 mM Cl-ioner. Bakgrunnen Elektrolytten er 0,5 M KNO 3, er den påførte strømpuls 10 Am -2 og omgivelsestemperaturen er 20,9 ° C. Den maksimale bakken av de potensielle svarene er angitt med de stiplede linjene 16. Klikk her for å laste ned denne filen.

/53312fig4.jpg "/>
Figur 4. Kalibreringskurve. En kalibreringskurve som viser kvadratroten av overgangstiden versus Cl ion konsentrasjon, i en 0,5 M KNO 3 bakgrunnselektrolytt. De runde punkter (o) er de målte data og det faste stoff linjen (-) er en lineær tilpasning. Den stiplede linjen (-) er den teoretiske kurven fra Sand ligningen, eq. (2). Den brukes strømpuls er 10 Am -2 og omgivelsestemperaturen er 20,8 ° C. D og Da er de teoretiske og tilsynelatende (målt) Diffusjonskoeffisientene henholdsvis 16. Klikk her for å laste ned denne filen.

Figur 5
Figur 5. Drift analyse. Påfølgende målinger av overgangstiden i løpet av to uker. Hver måling ble utført eveldig om dagen, med 3 målinger utføres hver dag og 3 timer mellom hver samme dag måling. Elektrolytten inneholder 1 mM av Cl ioner i en 0,5 M KNO 3 bakgrunn og den påførte strømpuls er 10 Am -2. Datapunktene og lineær tilpasning er merket med (+) og en stiplet linje, henholdsvis 16. Klikk her for å laste ned denne filen.

Figur 6
Figur 6. Effekt av ulike pseudo-referanseelektroder. Målt overgangstider med pseudo-res består av en Ag / AgCl væske krysset RE, Ag / AgCl wire, platinatråd og ståltråd. Den brukes strømpuls er 15 Am -2 og omgivelsestemperaturen er 21,2 ° C. Her, + og o-merkene viser de målte data for 4 og 5 mm av Cl ioner i en 0,5 M KNO 3bakgrunn, henholdsvis 16. Klikk her for å laste ned denne filen.

[CL] range
(mM) 		Strømtetthet, j
(Am -2) 		(j / C *) min
(A ∙ m ∙ mol -1) 		(j / C *) max
(A ∙ m ∙ mol -1) 		τ min
(s) 		τ max
(s)
1 til 6 10 1,66 10 0,146 5,26

Tabell 1. Den valgte strømtetthet for en Clˉ ionekonsentrasjon området fra 1 til 6 mM, evalueres fra ekv. (3). De tilsvarende verdier av forholdet j / C og overgangstiden er også gitt 16.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Overgangen tid er det øyeblikk av bøyning; Det er teoretisk sett uavhengig av referansepotensialet dvs. referanseelektroden. Derfor er en hvilken som helst metalltråd kan anvendes som en pseudo-referanseelektrode for overgang tidsmålinger. I motsetning til eksisterende potensiometrisk måling av kloridioner i betong denne metoden muliggjør en langvarig og kalibrering fri måling. Videre sensitivitet og påvisning konsentrasjonsområde kan være innstilt ved å justere den påtrykte strømpulsen. For høyere konsentrasjoner Cl, som er tilfelle i betongen, bør høyere strømpuls anvendes for å holde overgangstiden i løpet av 6 sek.

Selv om den dynamiske målingen ved hjelp av overgangstiden for en Ag / AgCl-elektrode virker et attraktivt alternativ for referanse og kalibrering fri påvisning av Cl-ioner. Den interferens fra andre anioner, så som hydroksyder og halogenider kan begrense den gjennomførbarhet especially når konsentrasjonen av forstyrrende ioner er større enn Cl-ioner. For eksempel er det observert en blandet (utvide) toppen av overgangen tid hvis [OH] er 10 ganger høyere enn [CL] i elektrolytten. I dette tilfellet overgangstids topper for OH og Cl ioner ikke kan differensieres. Påvisning spekter av [CL] avhenger av konsentrasjonen av interfererende ioner som OH-ioner 7. Vi har testet ned til 1 uM KCl i fravær av interfererende ioner. Videre, i nærvær av jodid (I) og bromid (br) ioner vil sensoren fortrinnsvis detektere overgangstiden for I og Br-ioner snarere enn klorid. Vanligvis i betong forstyrrelser fra jeg og BR-ioner er irrelevant på grunn av deres fravær eller ubetydelig beløp. Dessuten kan interferens fra hydroksydioner og halogenider ioner bli kompensert ved å dekke Ag / AgCl-elektrode med kloridion-selektiv-polymermembran (ionoforer) 26.

Den påtrykte strømpuls er en kritisk parameter i denne bestemmelse overgangstiden og bør velges med omhu. Høyere strømpuls hurtig kan degradere AgCl overflate med dannelse av sølvoksyd. Mens lavere strømpuls resulterer i en lengre overgangstid, og følgelig indusere feil i overgangen tid på grunn av uønsket konveksjon. Strømpulsen bør justeres på en slik måte at overgangstiden er innen 6 sek. Dette kan evalueres ved å sette overgangstid verdi og konsentrasjonsgrenser i Sand ligning 16. Overflaten degradering på grunn av høyere strømpulser kan bøtes på ved å bruke en returstrøm (katodisk kostnad, jeg c xt c) etter hver måling (anodisk kostnad, jeg en xt a). Katodestrømmen vil fjerne overflødig AgCl avsatt under den anodiske strømpulsen. De katodisk strøt bør være lavere i amplitude og lengre i tid, t c, slik at ladningen av anodisk og katodisk strøm bør være lik, dvs. jeg en t en = I k t c. Videre bør en grov området for [CL] ione-konsentrasjonen bestemmes på forhånd og strømpulsen påtrykkes på en slik måte at overgangstiden skal nå innen 5 til 10 sekunder. Videre bør potensiostat programmet justeres slik at den anodiske strøm stoppes når overgangstiden blir nådd. Dette vil unngå dannelse av siden.

Denne metoden kan benyttes for langtidsmåling av Cl-ioner i betong som gir langvarig og pålitelige målinger. Den kan brukes til å overvåke CL ioner i i drikkevann, svømmebassenger og biologiske prøver. Videre kan det utvides til å overvåke andre halogenidioner som jodid og BROMIde i drikkevann.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Platinum wire (≥99.99% trace metals) Sigma Aldrich, the Netherlands EP1330-1EA
Potassium chloride (BioXtra, ≥99.0%) Sigma Aldrich, the Netherlands P9333-500G
Potassium hydroxide (90% pure reagent grade) Sigma Aldrich, the Netherlands 484016-1KG
Ferric chloride  Sigma Aldrich, the Netherlands 451649-1G
potassium nitrate (>99% reagent grade)  Sigma Aldrich, the Netherlands P6083-500G
Ag/AgCl liquid junction reference electrode  BASi, USA model MF-2079
VSP potentiostat Biologic Science Instruments, France VSP 300
Steel wire Microlab TU Delft
Silver wire  Sigma Aldrich, the Netherlands

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Page, C., Treadaway, K. Aspects of the electrochemistry of steel in concrete. Nature. 297, 109-115 (1982).
  2. Koleva, D. A., Hu, J., van Breugel, K., Boshkov, N., de Wit, H. Conventional and pulse cathodic protection of reinforced concrete: electrochemical approach and microstructural investigations. ECS Transactions. 1, 287-298 (2006).
  3. Montemor, M., Simoes, A., Ferreira, M. Chloride-induced corrosion on reinforcing steel: from the fundamentals to the monitoring techniques. Cement and Concrete Composites. 25, 491-502 (2003).
  4. Wegen, G., Polder, R. B., Breugel, K. V. Guideline for service life design of structural concrete: A performance based approach with regard to chloride induced corrosion. Heron. 57 (3), (2012).
  5. Yoon, I., Koenders, E. Theoretical time evolution of critical chloride content in concrete. Structural Durability & Health Monitoring. 5, 275-294 (2010).
  6. Du, R. G., Hu, R. G., Huang, R. S., Lin, C. J. In situ measurement of Cl-concentrations and pH at the reinforcing steel/concrete interface by combination sensors. Analytical Chemistry. 78, 3179-3185 (2006).
  7. Angst, U., Elsener, B., Larsen, C. K., Vennesland, Ø Potentiometric determination of the chloride ion activity in cement based materials. Journal of Applied Electrochemistry. 40, 561-573 (2010).
  8. Laferrière, F., Inaudi, D., Kronenberg, P., Smith, I. F. A new system for early chloride detection in concrete. Smart Materials and Structures. 17, 045017 (2008).
  9. Tang, J. L., Wang, J. N. Measurement of chloride-ion concentration with long-period grating technology. Smart Materials and Structures. 16, 665 (2007).
  10. Kohri, M., Ueda, T., Mizuguchi, H. Application of a near-infrared spectroscopic technique to estimate the chloride ion content in mortar deteriorated by chloride attack and carbonation. Journal of Advanced Concrete Technology. 8, 15-25 (2010).
  11. Tripathi, S. R., Inoue, H., Hasegawa, T., Kawase, K. Non-destructive Inspection of Chloride Ion in Concrete Structures Using Attenuated Total Reflection of Millimeter Waves. Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. 34, 181-186 (2013).
  12. Abbas, Y., Olthuis, W., van den Berg, A. A chronopotentiometric approach for measuring chloride ion concentration. Sensors and Actuators B: Chemical. 188, 433-439 (2013).
  13. Climent-Llorca, M. A., Viqueira-Pérez, E., Lòpez-Atalaya, M. M. Embeddable Ag/AgCl sensors for in-situ monitoring chloride contents in concrete. Cement and Concrete Research. 26, 1157-1161 (1996).
  14. Myrdal, R. The electrochemistry and characteristics of embeddable reference electrodes for concrete. , Woodhead Publishing. (2014).
  15. Angst, U., Vennesland, Ø, Myrdal, R. Diffusion potentials as source of error in electrochemical measurements in concrete. Materials and Structures. 42, 365-375 (2009).
  16. Abbas, Y., de Graaf, D. B., Olthuis, W., van den Berg, A. No more conventional reference electrode: Transition time for determining chloride ion concentration. Analytica Chimica Acta. 821, 81-88 (2014).
  17. Meyer, R. E., Posey, F. A., Lantz, P. M. Chronopotentiometry of the Ag− AgCl system and analysis for the chloride ion. Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry. 19, 99-109 (1968).
  18. Olthuis, W., Langereis, G., Bergveld, P. The metrits of differential measuring in time and space. Biocybernetics and Biomedical Engineering. 21, 5-26 (2001).
  19. Bakker, E., Bhakthavatsalam, V., Gemene, K. L. Beyond potentiometry: robust electrochemical ion sensor concepts in view of remote chemical sensing. Talanta. 75, 629-635 (2008).
  20. Olthuis, W., Bomer, J., Bergveld, P., Bos, M., Van der Linden, W. Iridium oxide as actuator material for the ISFET-based sensor-actuator system. Sensors and Actuators B: Chemical. 5, 47-52 (1991).
  21. Bergveld, P., Eijkel, J., Olthuis, W. Detection of protein concentrations with chronopotentiometry. Biosensors and Bioelectronics. 12, 905-916 (1997).
  22. Iwamoto, R. Derivative chronopotentiometry. Analytical Chemistry. 31, 1062-1065 (1959).
  23. Olthuis, W., Bergveld, P. Simplified design of the coulometric sensor-actuator system by the application of a time-dependent actuator current. Sensors and Actuators B: Chemical. 7, 479-483 (1992).
  24. Olthuis, W., Bergveld, P. Integrated coulometric sensor-actuator devices. Microchimica Acta. 121, 191-223 (1995).
  25. Bard, A. J., Faulkner, L. R. Electrochemical methods: fundamentals and applications. , 2nd, Wiley and Sons. Hoboken. (2001).
  26. Bakker, E., Bühlmann, P., Pretsch, E. Polymer Membrane Ion-Selective Electrodes-What are the Limits? Electroanalysis. 11, 915-933 (1999).

Tags

Kjemi Dynamic måling kloridioner Chronopotentiometry Transition tid Sand ligningen Silver sølvklorid elektrode
Dynamisk Elektrokjemisk Måling av kloridioner
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Abbas, Y., de Graaf, D. B., Olthuis, … More

Abbas, Y., de Graaf, D. B., Olthuis, W., van den Berg, A. Dynamic Electrochemical Measurement of Chloride Ions. J. Vis. Exp. (108), e53312, doi:10.3791/53312 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter